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Temperaturmessung an den rotierenden Teilen eines Elektrofahrzeugmotors über einen Schleifring am Wellenende

  • Temperatur rotierender Teile
  • Temperatur der Motorkomponenten
  • Temperatur von Getriebe und Kompressor
Michigan Scientific Schleifringe für das Wellenende und Hohlwellen-Schleifringe
Schleifringe am Wellenende und tubuläre Schleifringe.

Kurz zusammengefasst

Thermoelemente, die an den rotierenden Teilen des Motors befestigt sind, werden entlang der Welle zu einem am Wellenende montierten Schleifring verlegt. Die Messverstärker sitzen im Rotor des Schleifrings: Jeder Kanal wird dort kaltstellenkompensiert und kreuzt die Ringe als Spannung auf hohem Niveau. Für einen Elektrofahrzeug-Versuch hat Michigan Scientific ein solches Gerät mit Thermoelement-Messverstärkern vom Typ T im Rotor, zehn Schleifringkontakten und einer Drehzahl-Bemessung von 20 000 min⁻¹ gebaut.

20 000 min⁻¹
Drehzahl-Bemessung des für das Projekt gebauten Schleifrings
14
Lötanschlüsse für Thermoelemente vom Typ T am Projektgerät
125 °C
maximale Betriebstemperatur des Messverstärkers AMP-TC-M1

Signalpfad

Die interessierenden Teile rotieren, daher müssen die Thermoelementsignale von der rotierenden Seite zum Rekorder gelangen – von einem Ort, der heiß ist, vibriert und wenig Platz lässt. Ein Thermoelement liefert ein Signal im Millivoltbereich, und die Ringe und Bürsten eines Schleifrings bestehen nicht aus Thermoelementlegierungen: Ein Temperaturgradient über diese Kontakte erzeugt einen Fehler an den Stellen mit unterschiedlichen Metallen.

Der Messverstärker wird daher auf der rotierenden Seite platziert, im Rotor des Schleifrings am Wellenende. Er übernimmt die Kompensation der Kaltstelle und sendet 10 mV/°C über die Ringe, was der Gradient nicht beeinflussen kann. Die Thermoelement-Drähte verlaufen entlang der Welle oder durch ihre Innenbohrung zu den Rotor-Klemmen; der Stator ist mit dem Datenerfassungssystem verbunden.

Rotortemperaturen über einen Schleifring am Wellenende mit Messverstärkern in seinem Rotor Schnittansicht eines Elektromotors. Die Thermoelemente am Rotor sind entlang der Welle zum auf dem Wellenende montierten Schleifring verdrahtet. Die Messverstärker befinden sich im Rotor des Schleifrings, sodass das Signal als Spannung auf hohem Niveau, 10 mV pro Grad Celsius, die Ringe auf dem Weg zum Datenerfassungssystem durchläuft. Thermoelemente Rotor Messverstärker im Rotor 10 mV/°C Elektromotor Schleifring Erfassung
Schnittansicht. Thermoelemente am Rotor, Drähte in der Welle, Messverstärker im Rotor des Schleifrings am Wellenende.

Instrumentierung

SchleifringBaureihe S am Wellenende, 4 bis 10 Kanäle, 500 mA pro Kanal, 12 000 min⁻¹ standardmäßig und bis 20 000 min⁻¹ als Option, −40 bis 121 °C, Rotor 41,28 mm
MessverstärkerAMP-TC-M1, 1 bis 3 Thermoelemente vom Typ E, J, K oder T, 10 mV/°C bei 25 °C, ± 10 V, 1,16 kHz, Versorgung ± 15 V DC, 30 × 20 × 6 mm
Temperatur des Messverstärkers−55 bis 125 °C im Betrieb; Fehler ± 2 °C bei 25 °C, ± 5 °C von −55 bis 125 °C, Kaltstelle eingeschlossen
Projektgerät14 Lötterminals für Thermoelemente vom Typ T und 2 für das Gemeinsame der Messverstärker, 10 Schleifring-Anschlüsse, 20 000 min⁻¹; interne Verbindungen geändert für die Vibration und die Temperatur am Motor
TelemetrieSender Modell T8 am Wellenende, 8 Kanäle für Dehnungsmessstreifen (DMS) oder Thermoelemente, 16 Bit, induktive Stromversorgung, erprobt bei 24 000 min⁻¹, −40 bis 125 °C

Vorgehen

  1. 01

    Thermoelemente platzieren

    Auf den rotierenden Teilen, deren Temperatur gesucht wird, mit den Drähten bis zum Wellenende geführt.

  2. 02

    Auf der rotierenden Seite verstärken

    Die Thermoelemente sind an die Messverstärker im Rotor des Schleifrings angeschlossen, ein Kanal pro Thermoelement, mit Kaltstellenkompensation.

    Thermoelement-Messverstärker AMP-TC-M1
  3. 03

    Den Schleifring durchqueren

    Die verstärkten Signale gelangen über die Ringe zum Stator und dann zum Rekorder, mit 10 mV/°C.

    Schleifringe der S-Baureihe für den Wellenstirnaufbau
  4. 04

    Wärme am Messverstärker prüfen

    Die Messverstärker arbeiten bis 125 °C. Für heißere Versuche senkt ein Wärmedämm-Adapter zwischen Welle und Schleifring die Wärme, die sie erreicht.

Wärme und Telemetrie

Die Standard-Messverstärker zur Signalaufbereitung von Michigan Scientific vertragen Hitze bis 125 °C. Für heißere Versuche beschreibt der Artikel einen Wärmeunterbrecher-Adapter, der auf den Durchmesser des Stators eines Schleifrings mit integriertem Messverstärker angepasst ist und die Hitze reduziert, die den Messverstärker erreicht, wenn der Platz knapp ist.

Funktelemetrie ist der andere Weg, Thermoelement-Signale von einem rotierenden Bauteil abzugreifen. Das Modell T8 wird mit zwei M4-Schrauben am Wellenende montiert, wobei die Thermoelement-Kabel durch seine Mitte geführt werden, und wird induktiv über eine Spule gespeist, die etwa 3 bis 5 mm entfernt angeordnet ist. Sein Empfänger liefert ± 10 V pro Kanal. Die Telemetrie von Michigan Scientific wird auch für Thermoelemente in schwer zugänglichen Bereichen des Motors und des Antriebsstrangs eingesetzt, einschließlich Getrieben und Kompressoren.

Ergebnis

Temperaturen an den rotierenden Teilen des Motors, ausgelesen mit 10 mV/°C, wobei die Kaltstellenkompensation auf der rotierenden Seite gehalten wird. Die Daten zeigen, wo im Motor Leistung als Wärme verloren geht.

Häufige Fragen

Welche Drehzahl erreicht ein Schleifring auf einer Elektromotorwelle?

Die Baureihe S läuft standardmäßig bei 12 000 min⁻¹ und optional bis 20 000 min⁻¹. Der für das Elektrofahrzeug-Projekt entwickelte Schleifring für das Wellenende war für eine Drehzahl von 20 000 min⁻¹ ausgelegt.

Welcher Temperatur können die Messverstärker in einem Schleifring standhalten?

Der AMP-TC-M1 arbeitet von −55 bis 125 °C. Für heißere Versuche reduziert ein Wärmeunterbrecher-Adapter die Hitze, die den Messverstärker erreicht.

Welche Thermoelemente wurden im Elektromotor-Projekt verwendet?

Thermoelemente vom Typ T. Der Schleifring verfügte über 14 Lötanschlüsse dafür, 2 für das Messverstärker-Massepotential und zehn Schleifring-Verbindungen.

Kann die Telemetrie die Motortemperatur anstelle eines Schleifrings messen?

Ja. Das Modell T8 überträgt acht Kanäle für Thermoelemente oder Dehnungsmessstreifen (DMS) per Funk vom Wellenende, induktiv gespeist, und hat sich bei 24 000 min⁻¹ bewährt.

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